CosMx单细胞空间原位技术：助力解析炎症性肠病中关键细胞亚型的空间异质性
编者按
炎症性肠病（IBD）是由免疫介导的慢性胃肠道疾病，分为克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），但这两种疾病在疾病进展和治疗反应等方面具有显著异质性。目前尚未建立有效的临床或生物学特征来解释和预测该现象，因此了解疾病异质性背后复杂的分子机制，成为亟需解决的问题。本项研究结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞空间原位分子成像（CosMx SMI）技术对IBD进行深入分析。scRNA-seq数据发现IBD患者之间最大的差异存在于髓系细胞，主要包括巨噬细胞和中性粒细胞。研究人员进一步利用了CosMx SMI单细胞空间原位分子成像技术对每个巨噬细胞和中性粒细胞亚群进行精细的空间定位和单细胞转录组表达检测，在组织空间维度全面揭示了巨噬细胞的多样性和可塑性，结果发现巨噬细胞和炎性成纤维细胞参与构建了强大的通讯网络，阐释了人类炎性肠病的细胞复杂性和导致IBD异质性的潜在机制。
文章题目：Macrophage and neutrophil heterogeneity at single-cell spatial resolution in humaninflammatory bowel disease
中文题目：在单细胞空间分辨率下揭示炎症性肠病中巨噬细胞和中性粒细胞的空间异质性
见刊时间：2023.07
期刊名称：Nature Communications
影响因子：16.6
实验平台：单细胞转录组测序、CosMx SMI（1000 gene panel）、多色免疫荧光
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40156-6
实验设计
技术路线示意图
研究结果
1. 单细胞测序和空间分子成像联合分析绘制健康和炎症结肠的单细胞空间图谱
通过单细胞测序，对健康参与者（HC，n = 6）、克罗恩病患者（CD，n = 6）和溃疡性结肠炎患者（UC，n = 6）的结肠活检样本进行分析。结果发现，在不同分组的患者间，细胞类型的占比具有差异，在CD或UC患者中发现了炎症性成纤维细胞、中性粒细胞以及炎症性M1巨噬细胞，但在HC中未检测到。使用CosMx SMI空间分子成像技术，对福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）结肠样本（n = 9）进行分析，共对约1000个基因进行检测，实现细胞的精准空间定位和精细基因表达。通过整合单细胞RNA测序数据，获得了健康和炎症性肠病（IBD）结肠活检组织的细胞组成特征，在单细胞空间分辨率下生成健康和结肠患病的空间细胞图谱。
Fig.1 单细胞RNA测序和单细胞空间原位分子成像技术（CosMx SMI）整合结果
2. 单细胞测序和单细胞空间原位转录组分析揭示结肠粘膜中常驻和炎性巨噬细胞的不同细胞群体
研究人员通过CosMx SMI分析了组织切片中的髓系细胞亚群，发现不同患者间的髓系细胞亚群在细胞丰度和空间分布上存在明显差异。在健康结肠中，常驻巨噬细胞最接近粘膜表面，而肥大细胞和DC则分布在粘膜深层。而在炎症样本中，髓系细胞区的重塑M1巨噬细胞和中性粒细胞最靠近粘膜表面（溃疡区域）。
Fig.2 健康和炎症结肠黏膜髓系细胞亚群分析
3. IDA巨噬细胞表达神经调节蛋白1
scRNA-seq数据显示，神经调节蛋白1基因（NRG1）在 IDA巨噬细胞中显著表达，并且这一结果在bulk RNA-seq分析中也得到了验证。
Fig.3 Neuregulin 1在结肠黏膜中的表达与功能
4. 单细胞空间原位分析揭示IDA巨噬细胞的扩张以及其在炎症性肠病结肠中的组织分布
通过对CosMx SMI数据分析发现，大量IDA巨噬细胞散布在整个炎症结肠中，揭示了炎症依赖性巨噬细胞的扩张状态。而M1巨噬细胞主要分布在表面溃疡中，在固有层和粘膜下层数量较少。此外，研究者在一名CD患者组织中发现了大量肉芽肿（巨噬细胞的聚集体，是对持续性炎症或感染的反应）。其中IDA巨噬细胞、M2巨噬细胞、少数 M0和M1巨噬细胞是分布在肉芽肿中主要的巨噬细胞类型，而在肉芽肿周围被一些淋巴细胞亚群包围。免疫荧光也得到了相同的结果。与固有层巨噬细胞相比，肉芽肿中NRG1的表达量较低，说明虽然炎症结肠中存在大量的IDA巨噬细胞，但由于根据其所处的组织空间位置的不同，NRG1的表达也有差异，提示可能发挥不同的功能。
Fig.4 IDA巨噬细胞广泛分布于溃疡性结肠炎以及存在于克罗恩病肉芽肿中
5. 炎症性成纤维细胞与IDA巨噬细胞在炎症性肠病中共定位
上述研究结果发现，在UC和CD患者组织中分布了大量的IDA巨噬细胞，并且在不同患者中的空间分布存在异质性。因此，研究人员通过CosMx SMI分析了IDA巨噬细胞周围的细胞类型和空间特征。结果发现，在UC和CD患者的基质区和肉芽肿区域，IDA巨噬细胞与炎性成纤维细胞具有高度的空间相关性。最近的一项研究表明，前列腺素由活化的成纤维细胞产生，并驱动表达HBEGF和EREG的 IDA样巨噬细胞分化。因此，研究人员认为炎性成纤维细胞和巨噬细胞可能通过特定配体和受体在IBD中发生互作。
Fig.5 IDA巨噬细胞与炎症成纤维细胞共定位
6. 中性粒细胞亚群在炎症性结肠黏膜组织中的异质性及空间分布
根据肠道中性粒细胞的3种不同状态，分别了注释3个中性粒细胞亚群（N1、N2和N3），并且这3个亚群的细胞相对丰度和基因表达谱在不同疾病及不同患者间具有明显差异。通过CosMx SMI对这3个中性粒细胞亚群的空间分布进行分析，发现主要分布于隐窝脓肿和溃疡区，并且在固有层呈分散分布。
Fig.6 炎症性肠病结肠黏膜中中性粒细胞群体的异质性分析
主要结论
本研究通过单细胞测序结合单细胞空间原位技术，发现在UC和CD中，差异最明显的为髓系细胞群中的巨噬细胞和中性粒细胞亚群，这些细胞群体的丰度和空间分布差异可以在一定程度解释疾病的异质性。肠道巨噬细胞能够感知微环境的变化，可以作为反映患者特异性分子模式的可靠指标。此外，通过将scRNA-seq与CosMx SMI技术结合，能够更深入地研究细胞亚群间的相互作用，从而提供了关键的生态位信息。这种空间分辨率解析对于理解细胞功能以及将生物学上相关的相互作用与特定的细胞类型联系非常重要。
参考文献
Garrido-Trigo A, Corraliza AM, Veny M, et al. Macrophage and neutrophil heterogeneity at single-cell spatial resolution in human inflammatory bowel disease. Nat Commun. 2023;14(1):4506. Published 2023 Jul 26. doi:10.1038/s41467-023-40156-6
